敞開式TBM功效提升新技術(shù)及其在大直徑輸水隧洞中的應(yīng)用

倪自榮

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

隧洞工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、隧洞洞線長、隧洞開挖直徑大、高工壓、全程自流等特點。TBM是一種依靠刀具旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)的一種方式，廣泛應(yīng)用于隧道開挖等工程，是一種大型的隧洞施工技術(shù)，是大型工廠化施工的高新技術(shù)裝備。目前已經(jīng)有許多學(xué)者對TBM掘進(jìn)輸水隧洞進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。張紅耀等[1]學(xué)者對TBM刀盤刀具、軸承、支護(hù)等系統(tǒng)進(jìn)行了針對性的設(shè)計，通過在重慶軌道交通六號線的應(yīng)用，此種設(shè)計可以提高敞開式TBM的適用性。孫振川等[2]調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)案例，提出了新的TBM連續(xù)施工方案和措施，并研究出了一系列理論及參數(shù)，為巖溶及軟弱地層等工程提供一定的借鑒和參考。孔祥政[3]通過調(diào)整TBM的掘進(jìn)參數(shù)，對于不良地質(zhì)洞段進(jìn)行了一定的改進(jìn)，為類似的工程提供了一些經(jīng)驗。莫耀升[4]對敞開式TBM在長大輸水隧洞的施工技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一些基本的經(jīng)驗，對類似工程的施工具有一定的借鑒作用。杜士斌[5]論述了對大伙房輸水隧洞工程中應(yīng)用的開敞式TBM技術(shù)進(jìn)行了介紹。孫千[6]通過對大伙房水庫輸水隧洞工程的施工現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，對相似的工程具有一定指導(dǎo)作用。

1 TBM在隧洞施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代開始，我國開始應(yīng)用TBM掘進(jìn)技術(shù)，但與國際水平還有較大的差距。1985年廣西隆林天生橋水電站第一次采用大斷面巖石掘進(jìn)技術(shù)；1991年甘肅省引大入秦大型跨流域灌溉工程是國內(nèi)第一條成功應(yīng)用TBM施工的隧洞工程；之后山西省萬家寨引黃工程、西康鐵路秦嶺隧道工程等多個隧洞工程均采用TBM施工。TBM施工在國內(nèi)水利水電、鐵路、礦業(yè)等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

國外TBM技術(shù)發(fā)展較早，也較為成熟，19世紀(jì)中葉開始，TBM施工法第一次發(fā)展出來。20世紀(jì)50年代美國羅賓斯公司研制出第一臺現(xiàn)代意義的TBM，TBM在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，TBM施工技術(shù)有了長足的發(fā)展。

2 敞開式TBM功效提升技術(shù)

敞開式TBM使用了20″新結(jié)構(gòu)盤形滾刀，同時應(yīng)用了新型刀盤耐磨板，有效地保護(hù)了刀盤本體。

另外，當(dāng)掘進(jìn)段遭遇不良地質(zhì)時，圍巖在護(hù)盾內(nèi)易發(fā)生大塊巖石或小塊大量巖石的坍塌如圖1所示，塌落體出露護(hù)盾后有直接掉落的趨勢，常規(guī)的TBM護(hù)盾后面為了施工的安全加裝了指形護(hù)盾。通過對圍巖坍塌情況進(jìn)行分析，開發(fā)了新型的支護(hù)系統(tǒng)。新型支護(hù)系統(tǒng)由鋼筋排安裝系統(tǒng)(羅賓斯稱之為McNally系統(tǒng))、高效鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片安裝機(jī)構(gòu)、錨桿鉆機(jī)以及噴混系統(tǒng)組成。新型圍巖系統(tǒng)作為TBM工法隧洞施工的新型施工工藝，可以保證及時、快速進(jìn)行頂拱部位支護(hù)。

圖1 初露護(hù)盾后圍巖坍塌情況

3 敞開式TBM在大直徑輸水隧洞中組裝、步進(jìn)、始發(fā)洞室的設(shè)計優(yōu)化

3.1 TBM擴(kuò)大洞室設(shè)計

根據(jù)本工程的實際特點，本著滿足最基本施工要求、降低施工難度、縮短施工工期、節(jié)省施工成本支出的原則，立足于統(tǒng)一6臺洞內(nèi)組裝的TBM擴(kuò)大洞室設(shè)計為出發(fā)點，提出了一整套TBM擴(kuò)大洞室設(shè)計優(yōu)化的方案。擴(kuò)大洞室布置示意圖如圖2所示，該方案主要特點有以下兩點：①TBM組裝洞由140m縮短為80m；②始發(fā)洞長度由20m加長至25m。

圖2 TBM擴(kuò)大洞室布置示意圖

3.2 TBM組裝區(qū)洞室設(shè)計

TBM組裝的最長部件為2#連接橋，長度約13～15m、寬度3～4m、高度2m。TBM組裝區(qū)為圓頂直墻型洞室設(shè)計，洞室底板為平底板設(shè)計。洞室凈寬最小為12.5m，至圓頂頂點凈高16.5m，在TBM主機(jī)組裝區(qū)配置兩臺起重能力100t的橋式起重機(jī)，橋吊的軌道預(yù)埋在巖錨梁的巖臺混凝土內(nèi)，行走軌道長80m、橋吊跨度14.1m，主勾最大起吊高度11.0m。另外安裝一臺25t橋式起重機(jī)，配合主橋吊完成TBM主機(jī)及后配套大部件的吊裝工作。TBM主機(jī)組裝區(qū)洞室結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。TBM超大部件在洞內(nèi)的擺放布置如圖4所示。

圖3 TBM主機(jī)組裝區(qū)洞室結(jié)構(gòu)圖

3.3 TBM步進(jìn)通過洞室設(shè)計

TBM通過段洞室設(shè)計較為簡單，主要是滿足TBM主機(jī)及后配套步進(jìn)的凈空要求，保證TBM主機(jī)及后配套系統(tǒng)能夠順利步進(jìn)通過。TBM通過段洞室設(shè)計為馬蹄形斷面，TBM步進(jìn)通過段洞室結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.4 TBM始發(fā)段洞室設(shè)計及優(yōu)化

為簡化設(shè)計、減少工序、降低工程量，設(shè)計人員對TBM始發(fā)洞做了較大的設(shè)計優(yōu)化：①始發(fā)洞長度由20m延長至25m；②始發(fā)洞斷面形式由圓形平底板變更為馬蹄型洞室，與步進(jìn)通過洞室保持相同的斷面尺寸，以減少鉆爆開挖的難度和工程量，加快施工進(jìn)度；③由于采用滑板式步進(jìn)方式，平底板混凝土上部的步進(jìn)導(dǎo)向槽，要一直延伸至掘進(jìn)斷面掌子面附近10m距離以內(nèi)；④取消始發(fā)洞的全圓襯砌混凝土施工，僅提前鋪設(shè)混凝土底板，邊頂拱區(qū)域根據(jù)地質(zhì)情況的不同，分別采取不同的支護(hù)方式。

圖4 TBM超大部件擺放布置圖

圖5 TBM步進(jìn)通過段洞室結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

(1)以長大隧洞TBM設(shè)備為研究基礎(chǔ)，從影響TBM施工工效提升的細(xì)節(jié)入手，研究、應(yīng)用了一系列保證TBM施工工效提升的技術(shù)措施和技術(shù)手段。

(2)研究、采用新型TBM刀盤面板耐磨材料，保證了長距離掘進(jìn)刀盤壽命，減少了掘進(jìn)過程中刀盤維修量、縮短了刀盤維修時間，提高了設(shè)備掘進(jìn)效率。

(3)從工程施工實際出發(fā)，本著功能不變、施工方便、經(jīng)濟(jì)適用、降低成本的原則，結(jié)合施工實際，對后配套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的全面、系統(tǒng)化的優(yōu)化，有效降低了設(shè)備采購資金、提高了設(shè)備的實用性和作業(yè)效率，并且及時消除了設(shè)備隱患，保證了施工生產(chǎn)的正常進(jìn)行，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。